CN115797265A - 一种平板探测器及其图像校正方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种平板探测器及其图像校正方法，包括平板探测模块和图像校正模块，平板探测模块包括像素单元和伪像素单元组成的像素阵列，且伪像素单元的响应灵敏度低于像素单元。同一曝光剂量下伪像素单元相比像素单元产生的电信号更小，利用伪像素单元电信号反馈的灰度值，以及灰度与曝光剂量之间的定量关系，即能够计算出X射线在过饱和曝光剂量下的真实曝光剂量，进而计算出同一区域X射线真实曝光剂量下像素单元的理论真实灰度值，提高平板探测器图像校正的准确性。

Description

一种平板探测器及其图像校正方法

技术领域

本申请涉及数字医疗影像相关技术领域，尤其涉及一种平板探测器及其图像校正方法。

背景技术

在数字化X射线摄影(Digital Radiography，DR)中，X射线能量转换成电信号是通过平板探测器来实现的，平板探测器可以捕获X光，将被测物体的X射线影像转变为数字图像以便于查看、分析、存储以及传播，其被广泛应用于医疗、生物、材料和工业检测等领域。

平板探测器在实际使用的过程中，由于X射线照射的不均一性，以及传感器的电路特性和半导体器件的物理性质，局部大剂量的X射线将会造成较为显著的残影和串扰，在图像上体现为伪影。针对这一现象，往往需要进行图像校正，例如在器件设计和工艺上进行改进，或通过理论计算和图像规律获取图像的有效校正参数。然而，当局部区域的X射线曝光剂量过饱和时，其对应的灰度值将会保持恒定，不再随曝光剂量的增加而增加，也就无法获取过饱和区域理论真实灰度值，导致图像校正参数无法准确获取，影响对图像伪影进行校正的准确性。

因此，如何提供一种平板探测器及其图像校正方法，能够对大剂量X射线下的图像灰度进行定量检测，提高平板探测器图像校正的准确性，成为本领域亟需解决的问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种平板探测器及其图像校正方法，其能够对大剂量X射线下图像的灰度进行定量检测，提高平板探测器图像校正的准确性。

第一方面，本申请提供一种平板探测器，其包括：

平板探测模块，用于将X射线转换为电信号，生成X射线图像；

图像校正模块，与所述平板探测模块相连接，用于接收所述X射线图像的原始图像参数，并输出所述X射线图像的校正图像参数；

其中，所述平板探测模块包括像素单元和伪像素单元组成的像素阵列，所述伪像素单元的响应灵敏度低于所述像素单元。

在一种可能的实施方式中，所述伪像素单元均匀设置在像素阵列中。

在一种可能的实施方式中，所述图像校正模块包括第一校正单元和第二校正单元，所述第一校正单元用于对所述X射线图像中的串扰区域进行校正；所述第二校正单元用于对所述X射线图像上的残影区域进行校正。

在一种可能的实施方式中，所述图像校正模块还包括数据管理单元，所述数据管理单元用于接收并存储所述X射线图像的原始图像参数，所述第一校正单元和第二校正单元从所述数据管理单元获取所述原始图像参数，并采用不同的算法对所述X射线图像进行校正，输出所述X射线图像的校正图像参数。

另一方面，本申请提供一种平板探测器图像校正方法，采用上述任意一项实施方式所述的平板探测器，包括：

将平板探测器放置在正对X射线源的位置，利用平板探测模块获取X射线图像；

利用图像校正模块接收X射线图像的原始图像参数，并对X射线图像进行串扰校正和残影校正，输出校正图像参数。

在一种可能的实施方式中，利用第一校正单元对X射线图像进行串扰校正的步骤具体包括：

S11，通过数据管理单元获取X射线图像的原始图像参数；

S12，于X射线图像中标定第一区域和串扰区域；

S13，通过第一区域内每个像素单元的灰度值计算所述串扰区域内每个像素单元的灰度校正值；

其中，所述第一区域为所述像素单元灰度值超过第一阈值的区域，所述串扰区域为像素单元灰度值受到第一区域影响的区域。

在一种可能的实施方式中，利用第二校正单元对X射线图像进行残影校正的步骤具体包括：

S21，通过数据管理单元获取每一帧X射线图像的原始图像参数；

S22，于X射线图像中标定第一区域，并于之后M帧的X射线图像中标定残影区域；

S23，通过第一区域内每个像素单元的灰度值计算所述残影区域内每个像素单元的灰度校正值；

其中，所述第一区域为所述像素单元灰度值超过第一阈值的区域，所述残影区域为所述第一区域内的像素单元对后续M帧X射线图像中同一位置的像素单元的灰度值至造成影响的区域。

在一种可能的实施方式中，所述第一区域包括未饱和剂量区域和/或过饱和剂量区域，所述过饱和剂量区域为所述像素单元达到灰度饱和值的区域，所述未饱和剂量区为所述像素单元灰度值介于第一阈值与灰度饱和值之间的区域。

在一种可能的实施方式中，所述过饱和区域内像素单元的灰度值通过所述过饱和区域中的伪像素单元的灰度值计算得出。

在一种可能的实施方式中，所述校正图像参数包括所述串扰区域内每个像素单元的灰度校正值和所述残影区域内每个像素单元的灰度校正值。

与现有技术相比，本申请的有益效果至少如下：

本申请提供了一种平板探测器及其图像校正方法，包括平板探测模块和图像校正模块，平板探测模块包括像素单元和伪像素单元组成的像素阵列，且伪像素单元的响应灵敏度低于像素单元。同一曝光剂量下伪像素单元相比像素单元产生的电信号更小，利用伪像素单元电信号反馈的灰度值，以及灰度与曝光剂量之间的定量关系，即能够计算出X射线在过饱和曝光剂量下的真实曝光剂量，进而计算出同一区域X射线真实曝光剂量下像素单元的理论真实灰度值，提高平板探测器图像校正的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为根据本申请实施例示出的一种平板探测器结构示意图。

图2为根据本申请实施例示出的一种像素阵列结构示意图。

图3为根据本申请实施例示出的一种第一区域和串扰区域的位置关系结构示意图。

图4为根据本申请实施例示出的一种第一区域和残影区域的位置关系结构示意图。

图示说明：

100平板探测模块；110像素阵列；111像素单元；112伪像素单元；200图像校正模块；210第一校正单元；220第二校正单元；230数据管理单元；310第一区域；320串扰区域；321横向串扰区域；322纵向串扰区域；330残影区域。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或营业，本申请中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。此外，术语“第一”和“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

现有平板探测器的核心部件在于平板探测模块中具有图像传感功能的像素阵列110，其在感应到入射的X射线时，会将X射线转换为电信号输出，生成X射线图像，而像素单元在感应到不同剂量的X射线时便会产生不同的电信号。

然而，在实际使用的过程中，由于X射线照射的不均一性，以及传感器的电路特性和半导体器件的物理性质，局部大剂量的X射线将会造成较为显著的残影和串扰，在图像上体现为伪影。针对这一现象，往往需要对平板探测器输出的图像进行校正，即根据X射线具体曝光剂量的大小和空间分布，通过理论计算和图像规律获取一个定量的关系式，进而获取有效的校正图像参数。然而，当局部区域的X射线曝光剂量超过像素单元111能够反馈的饱和剂量时，像素单元的灰度值将会保持恒定，不再随曝光剂量的增加而增加，也就无法获得过饱状态下像素单元理论真实灰度值和曝光剂量，导致图像校正参数无法准确获取，影响对图像校正的准确性。

针对上述问题，申请人发现，将现有平板探测器的像素阵列中的部分像素单元111替换为相应灵敏度更低的伪像素单元，便能够在局部区域的X射线曝光剂量过饱和时，通过伪像素单元计算出X射线的真实曝光剂量和同一区域内像素单元理论真实灰度值，进而计算出更加准确的图像伪影的校正图像参数。基于上述发现，本申请提供了一种平板探测器及其图像校正方法，用于解决X射线曝光剂量过饱和时，像素单元无法反馈理论真实灰度值和X射线真实的曝光剂量，造成图像校正失效的问题。

根据本申请的一个方面，提供了一种平板探测器。参见图1和图2，包括平板探测模块100和图像校正模块200。

平板探测模块100用于将X射线转换为电信号，生成X射线图像，图像校正模块200与平板探测模块100相连接，用于接收X射线图像的原始图像参数，并输出X射线图像的校正图像参数。其中，平板探测模块100包括像素单元111和伪像素单元112组成的像素阵列110，伪像素单元112的响应灵敏度低于像素单元111。

像素阵列110中每个像素单元111和伪像素单元112采用的设计相同，都带有TFT开关器件与光电二极管器件。整个像素阵列110由若干行扫描线驱动，每根扫描线连接对应行上所有像素单元111和伪像素单元112的TFT栅极；每一列上的所有像素单元111和伪像素单元112的TFT漏极均与对应列上的数据线连接，将像素阵列110的电信号输出，此外，整个像素阵列110还通过一个公共电极连接至每个像素单元111和伪像素单元112的光电二极管器件，进而为每个像素单元111和伪像素单元112提供相同的偏置电位。

作为示例，参见图2，伪像素单元112就是在像素单元111的基础上，增加入射面遮光层的面积，使像素的响应区范围降低至正常像素单元111的几分之一或几十分之一，减小电信号的产生，进而降低对X射线的响应灵敏度，也就是说，伪像素单元112对X射线的响应灵敏度仅为像素单元111的几分之一或几十分之一，进而能够在X射线的曝光剂量超出像素单元111的饱和剂量时，仍然能够对入射的X射线正常反馈灰度值。

例如，在一种实施方式中，像素单元111在X射线曝光剂量为50uGy时达到饱和，那么当X射线的曝光剂量为450uGy时，像素单元111将只会反馈出恒定的饱和灰度值，而无法再定量反馈出该曝光剂量下真实的灰度值。若伪像素单元112设定的响应灵敏度为像素单元111的1/18，那么X射线的曝光剂量为450uGy时的响应程度就相当于正常像素单元111的25uGy的水平，远未达到灰度的饱和水平。也就是说，根据伪像素单元112反馈的灰度值，并根据灰度与曝光剂量之间的定量关系，计算出X射线真实的曝光剂量，进而再反向计算出当前X射线真实的曝光剂量下正常像素单元111的理论真实灰度值。

需要说明的是，伪像素单元112的数量有限，且均匀设置在像素阵列110中，因而在收集到伪像素单元112产生的电信号后，还需对其进行仿真模拟，以得出接近真实的X射线曝光剂量分布，进而提高图像校正的准确性。

作为示例，参见图1，图像校正模块200包括第一校正单元210和第二校正单元220，第一校正单元210用于对X射线图像中的串扰区域320进行校正，第二校正单元220用于对X射线图像上的残影区域330进行校正。

在本实施例中，参见图3和图4，将像素单元111的灰度值超过第一阈值后，其对应的X射线曝光的区域设为第一区域310，即局部大剂量区，局部大剂量区会在平板探测器输出的图像上造成串扰和残影。局部大剂量区的像素单元111会对周边区域像素单元111的灰度值的正常反馈造成干扰，也就形成了串扰区域320，而对本图像内横向区域其他像素单元111造成的干扰，即为横向串扰，对纵向区域其他像素单元111造成的干扰即为纵向串扰。而局部大剂量区的像素单元111对下一帧或下几帧图像上对应区域内像素单元111的灰度值的正常反馈造成的干扰，也就形成残影区域330。

作为示例，图像校正模块200还包括数据管理单元230，用于接收并存储X射线图像的原始图像参数，包括每一帧图像内每个像素单元111和伪像素单元112的坐标及对应反馈的灰度值，以及每一帧图像的间隔时间和帧率。第一校正单元210和第二校正单元220通过数据管理单元230获取原始图像参数，并采用不同的算法对X射线图像的串扰区域320和/或残影区域330进行校正，进而输出X射线图像的校正图像参数。

第二方面，本申请提供了一种平板探测器图像校正方法，包括采用上述平板探测器，以对平板探测器输出的图像进行校正。

首先，将平板探测器放置在正对X射线源的位置，利用平板探测模块100获取X射线图像；

然后，利用图像校正模块200接收X射线图像的原始图像参数，并对X射线图像进行串扰校正和残影校正，输出校正图像参数。

作为示例，利用第一校正单元210对X射线图像进行串扰校正的步骤，具体包括：

S11，通过数据管理单元230获取X射线图像的原始图像参数，包括图像中每个像素单元111的坐标和对应灰度值，以及伪像素单元112的坐标和对应的灰度值。

S12，于X射线图像中标定第一区域310和串扰区域320。

根据像素单元111和伪像素单元112坐标及其对应的灰度值，将像素单元111灰度值超出第一阈值的区域标定为第一区域310，即局部大剂量区，并以第一区域310为中心，将横向和纵向方向上像素单元111的灰度值受到第一区域310干扰而反馈异常的区域，标定为串扰区域320。

S13，通过第一区域310内每个像素单元111的灰度值计算串扰区域320内每个像素单元111的灰度校正值。

通过理论计算和图像规律获取一个定量的灰度影响值的函数关系式。以横向串扰的校正为例，将第一区域310内任意像素单元A的坐标和灰度值设为(X,Y,G)，横向串扰区域321内与像素单元A同一行的任意像素单元B的坐标和灰度值设为(x,Y,g)，那么，即可计算出像素单元A对像素单元B的灰度影响值g₁＝f₁(x,g,X,Y,G)。

进一步地，将像素单元B的灰度值g减去第一区域310内同一行的每个像素单元111对像素单元B的灰度影响值f₁(x,g,X,Y,G)，即可得到像素单元B的灰度校正值G_B。当第一区域310中与像素单元B同一行内有N个像素单元111时，那么像素单元B的灰度校正值即为：

G_B＝g-f₁(x,g,X₁,Y,G₁)-f₁(x,g,X₂,Y,G₂)-…-f₁(x,g,X_N,Y,G_N) (1)

同理，将纵向串扰区域322内与像素单元A同一列的任意像素单元B的坐标和灰度值设为(X,y,g)，那么，即可计算出像素单元A对像素单元B的灰度影响值g₁＝f₁(y,g,X,Y,G)，像素单元B的灰度值g减去第一区域310内同一列的每个像素单元111对像素单元B的灰度影响值f₁(y,g,X,Y,G)，即可得到像素单元B的灰度校正值G_B。当第一区域310中与像素单元B同一列内有N个像素单元111时，那么像素单元B的灰度校正值即为：

G_B＝g-f₁(y,g,X,Y₁,G₁)-f₁(y,g,X,Y₂,G₂)-…-f₁(y,g,X,Y_N,G_N) (2)

第一校正单元根据上述等式(1)和(2)即可计算出串扰区域320内每个像素单元111的灰度校正值，进而输出图像串扰区域320的校正参数。

需要说明的是，对于X射线图像中第一区域310之外的区域，其像素单元111之间的灰度影响相对有限，因此对灰度影响值可以忽略不计。

作为示例，利用第二校正单元220对原始图像进行残影校正的步骤，具体包括：

S21，通过数据管理单元230获取每一帧X射线图像的原始图像参数，包括图像中每个像素单元111的坐标和对应灰度值，以及伪像素单元112的坐标和对应的灰度值，还包括X射线图像的帧率。

S22，于X射线图像中标定第一区域310，并于之后第M帧的X射线图像中标定出残影区域330。

根据像素单元111和伪像素单元112坐标及其对应的灰度值，将像素单元111灰度值超出第一阈值的区域标定为第一区域310，即局部大剂量区，并将第一区域310内的像素单元111对后一帧或后续M帧图像上相同位置的像素单元111的灰度值正常反馈造成干扰的区域，标定为残影区域330，M为≥1的自然数。

S23，通过第一区域310内每个像素单元111的灰度值计算残影区域330内每个像素单元111的灰度校正值。

通过理论计算和图像规律获取一个定量的灰度影响值的函数关系式。例如，将第一区域310内任意像素单元A的灰度值设为G，在帧率设定值F下，将像素单元A在后续第M帧时的灰度值设为g，那么，即可计算出像素单元A对后续第M帧自身的灰度影响值g₂＝f₂(F,M,g,G)。

进一步地，若对第M+1帧像素单元A的残影进行校正，那么将第M+1帧的像素单元A的灰度值g分别减去第一帧到第M帧中像素单元A的灰度影响值，即第M+1帧的像素单元A的灰度校正值G_A为：

G_A＝g-f₂(F,M,g,G₁)-f₂(F,M-1,g,G₂)-…-f₂(F,1,g,G_M) (3)

第二校正单元根据上述等式(3)即可计算出残影区域330内每个像素单元111的灰度校正值，进而输出图像残影区域330的校正参数。

作为示例，第一区域310包括未饱和剂量区域和/或过饱和剂量区域，过饱和剂量区域为像素单元111的灰度达到灰度饱和值的区域，而未饱和剂量区为像素单元111灰度值介于第一阈值与灰度饱和值之间的区域。

当第一区域310内存在过饱和剂量区域时，过饱和剂量区域内的像素单元111便只能反馈出灰度饱和值，而无法根据实际的X射线入射剂量反馈真实的灰度值，若直接将饱和灰度值代入自上述等式(1)、等式(2)和等式(3)中，将无法得到准确的串扰校正参数和残影校正参数，导致平板探测器的输出图像失真。

当过饱和区域内设置有伪像素单元112时，利用伪像素单元112远低于像素单元111的响应灵敏度，即可根据伪像素单元112反馈的灰度值，结合灰度与曝光剂量之间的定量关系，计算出入射到伪像素单元112的X射线真实的曝光剂量，并根据此曝光剂量，仿真计算出过饱和区域内其他像素单元111的理论真实灰度值，进而得到更为准确的串扰校正参数和残影校正参数。

作为示例，校正图像参数包括串扰校正参数和残影校正参数，串扰校正参数为串扰，残影校正参数为残影区域330内每个像素单元111的灰度校正值，图像校正模块200直接将校正图像参数传送至外界计算机，即可在图象显示设备直接显示校正后的图像。

本申请提供了一种平板探测器及其图像校正方法，包括平板探测模块100和图像校正模块200，平板探测模块100包括像素单元111和伪像素单元112组成的像素阵列110，且伪像素单元112的响应灵敏度低于像素单元111。同一曝光剂量下伪像素单元112相比像素单元111产生的电信号更小，利用伪像素单元112电信号反馈的灰度值，以及灰度与曝光剂量之间的定量关系，即能够计算出X射线在过饱和曝光剂量下的真实曝光剂量，进而计算出同一区域X射线真实曝光剂量下像素单元111的理论真实灰度值，提高平板探测器图像校正的准确性。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种平板探测器，其特征在于，包括：

平板探测模块，用于将X射线转换为电信号，生成X射线图像；

图像校正模块，与所述平板探测模块相连接，用于接收所述X射线图像的原始图像参数，并输出所述X射线图像的校正图像参数；

其中，所述平板探测模块包括像素单元和伪像素单元组成的像素阵列，所述伪像素单元的响应灵敏度低于所述像素单元。

2.根据权利要求1所述的平板探测器，其特征在于，所述伪像素单元均匀设置在像素阵列中。

3.根据权利要求1所述的平板探测器，其特征在于，所述图像校正模块包括第一校正单元和第二校正单元，所述第一校正单元用于对X射线图像中的串扰区域进行校正；所述第二校正单元用于对X射线图像上的残影区域进行校正。

4.根据权利要求3所述的平板探测器，其特征在于，所述图像校正模块还包括数据管理单元，所述数据管理单元用于接收并存储X射线图像的原始图像参数，所述第一校正单元和第二校正单元从所述数据管理单元获取所述原始图像参数，并采用不同的算法对X射线图像进行校正，输出X射线图像的校正图像参数。

5.一种平板探测器图像校正方法，采用如权利要求1～4任意一项所述的平板探测器，其特征在于，包括：

将平板探测器放置在正对X射线源的位置，利用平板探测模块获取X射线图像；

利用图像校正模块接收X射线图像的原始图像参数，并对X射线图像进行串扰校正和残影校正，输出校正图像参数。

6.根据权利要求5所述的图像校正方法，其特征在于，包括利用第一校正单元对X射线图像进行串扰校正的步骤，具体包括：

S11，通过数据管理单元获取X射线图像的原始图像参数；

S12，于X射线图像中标定第一区域和串扰区域；

S13，通过第一区域内每个像素单元的灰度值计算所述串扰区域内每个像素单元的灰度校正值；

其中，所述第一区域为所述像素单元灰度值超过第一阈值的区域，所述串扰区域为像素单元灰度值受到第一区域影响的区域。

7.根据权利要求5所述的图像校正方法，其特征在于，包括利用第二校正单元对X射线图像进行残影校正的步骤，具体包括：

S21，通过数据管理单元获取每一帧X射线图像的原始图像参数；

S22，于X射线图像中标定第一区域，并于之后M帧的X射线图像中标定残影区域；

S23，通过第一区域内每个像素单元的灰度值计算所述残影区域内每个像素单元的灰度校正值；

其中，所述第一区域为所述像素单元灰度值超过第一阈值的区域，所述残影区域为所述第一区域内的像素单元对后续M帧X射线图像中同一位置的像素单元的灰度值至造成影响的区域。

8.根据权利要求6和7任意一项所述的图像校正方法，其特征在于，所述第一区域包括未饱和剂量区域和/或过饱和剂量区域，所述过饱和剂量区域为所述像素单元达到灰度饱和值的区域，所述未饱和剂量区为所述像素单元灰度值介于第一阈值与灰度饱和值之间的区域。

9.根据权利要求8所述的图像校正方法，其特征在于，所述过饱和区域内像素单元的灰度值通过所述过饱和区域中的伪像素单元的灰度值计算得出。

10.根据权利要求9所述的图像校正方法，其特征在于，所述校正图像参数包括所述串扰区域内每个像素单元的灰度校正值和所述残影区域内每个像素单元的灰度校正值。

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